Physical properties of deep sea sediments

Erstmals quantitativ bearbeitete Rutschungen aus dem Tiefseebereich des äquatorialen Ostatlantiks liegen auf Hängen von 0,4 Grad und 0,7 Grad - das ist sehr viel flacher als die für statische Rutschungsauslösung benötigte kritische Hangneigung (14 Grad bis 16 Grad ). Im Gegensatz zu Flachwassergebieten kann bei Wassertiefen von über 4000 m natürlich der Einfluß von Wellenwirkung und Tidenhub auf die Hangstabilität vernachlässigt werden. Die Sedimentationsraten sind in diesem Bereich zur Bildung eines Porenwasserüberdruckes vielfach zu niedrig. Nach den Hangstabilitätsanalysen bilden hier Erdbeben den wirksamsten Auslösemechanismus für die Rutschungen. Dies gilt auch für Rutschungen an den Kontinentalrändern von Nordwest- und Westafrika sowie für das europäische Nordmeer und für Rutschungen im nördlichen Fidji-Becken. Das Alter der besonders gut datierten Rutschungen vom nordwestafrikanischen Kontinentalrand und der Tiefsee des äquatorialen Ostatlantiks schwankt zwischen 16,000 J.v.h. und 18,000 J.v.h. sowie etwa 130,000 J.v.h.. Es handelt sich dabei um Phasen des Beginns besonders starker Meeresspiegelschwankungen. Ein Vergleich der Meeresspiegelkurve mit dem Alter älterer Rutschungen zeigt ebenfalls eine Parallele mit Zeiten von Regressionen und Transgressionen. Durch die Meeresspiegelschwankungen werden isostatische Vertikalbewegungen des Tiefseebodens von bis zu 30 m bewirkt, die Spannungen in den Lithosphärenplatten erzeugen. Sie allein sind jedoch nicht groß genug, um Brüche in intakten Plattenbereichen zu verursachen. Entlang alter, ehemals aktiver Transform-Bruchzonen (Fracture Zones) können jedoch die aufgebauten Spannungen eher wieder abgebaut werden. Dabei entstehen kleinere Erdstösse und führen zur Auslösung von Rutschungen. Ein Vergleich der Verbreitung von Transform-Störungen und Rutschungen vor Norwegen, Nordwest- und Westafrika sowie vor dem südlichen Afrika zeigt, daß in diesen Gebieten Rutschmassen tatsächlich besonders häufig entlang und in der Verlängerung von Fracture Zones auftreten. Modellrechnungen, die mit typischen Werten für Hangwinkel (0,5 Grad bis 3 Grad) von Tiefseeböschungen und passive Kontinentalränder sowie für häufig ermittelte Scherfestigkeitsgradienten im Sediment (0,5 kPa/m bis 1,7 kPa/m) durchgeführt wurden, ergaben, daß in Gebieten mit normal konsolidierten Sedimenten (ohne Porenwasserüberdruck) nur Erdbeben Rutschungen ausgelöst haben können.

Grain size percentiles and Mk values of coastal sediments from Schleswig Holstein, western Baltic Sea

In einer Fülle sedimentpetrographischer Arbeiten wird versucht, aus der Korngrößenverteilung und der Mineralzusammensetzung von Sanden Schlüsse auf ihre Herkunft, ihre Transportrichtung oder ihr Ablagerungsmilieu abzuleiten, die für die Lösung geologischer und ebenso auch wasserbaulicher Probleme nötig sind. Diese Literatur steckt noch voller Widersprüche und Fehlschlüsse. In der vorliegenden Arbeit wird daher versucht, den Mechanismus des Sandtransports vom Grundsätzlichen her besser verständlich zu machen. Das geschieht anhand zweier ausgewählter und eingehend untersuchter Beispiele aus dem Küstenbereich der westlichen Ostsee unter Einbeziehung der Erfahrungen an vielen Vergleichsproben aus verschiedensten Sedimentationsräumen. Unentbehrlich für das Verständnis der transportbedingten Veränderungen an den Sanden ist das sog. 'Äquivalenzprinzip' (Abschnitt 2). Es stellt fest, daß es in einem von einer Strömung transportierten Sediment immer Körner zwar verschiedener Korngröße, aber auch entsprechend verschiedener Dichte und/oder Kornform gibt, die miteinander transportiert und abgelagert werden, weil unter den herrschenden hydraulischen Bedingungen diese Eigenschaften einander voll kompensieren. In Abschnitt 3 wird kurz die von Rittenhouse angegebene Methode geschildert, mit der man an natürlichen Sedimenten unter der sehr allgemein gehaltenen 'Äquivalenzbedingung' gleicher Transportierbarkeit bestimmen kann, welches Korngrößenverhältnis ein bestimmtes Verhältnis der Dichten kompensieren kann. Die von Rittenhouse am Beispiel von Flußsanden gefundene Funktion zwischen der Dichte der Körner und ihrem Äquivalenzverhältnis gegen Quarzkörner wird hier als erste Näherung auch für die Transportverhältnisse von Strandsanden zugrunde gelegt. In Abschnitt 6 wird gezeigt, daß das auch gerechtfertigt ist. In Abschnitt 4 wird eine allgemein brauchbare Methode abgeleitet, mit der man nicht nur unter stark vereinfachenden Annahmen, sondern auch an Sanden mit realen, stets komplexen Korn-größenverteilungen die Folgen des Äquivalenzprinzips für die Verteilung von Mineralen verschiedener Dichte berechnen kann. Für jede Serie von Sanden, deren Korngrößenverteilungen entlang des Transportweges eine bestimmte, von den Transportbedingungen abhängige Entwicklung durchmachen, ergibt sich damit eine Kurvenschar, die beschreibt, wie sich die Mengen von Mineralien mit verschiedenen Dichten in den einzelnen Korngrößenklassen dabei ändern müßten, vorausgesetzt, daß sie im gesamten Korngrößenbereich gleich verfügbar wären. Diese Kurvenschar ist die 'Charakteristik' des betreffenden Transportfalles. Durch den Vergleich zwischen den nach der Charakteristik in den einzelnen Klassen zu erwartenden Mineralmengen mit den in dem betrachteten Transportfall tatsächlich gefundenen läßt sich deren relative, d. h. auf die Menge des Quarzes bezogene 'Verfügbarkeit' berechnen. Sie wird durch die sog. 'hydraulischen Verhältnisse' (Rittenhouse) ausgedrückt, die im Gegensatz zu den 'Klassenverhältnissen' von der Korngrößensonderung beim Transport unabhängig und nur von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bestimmt sind, solange beim Transport allein das Äquivalenzprinzip wirksam ist. In den untersuchten Fällen von Sandtransport an zwei Strandabschnitten der westlichen Ostsee (Abschnitt 5) zeigte dieser Vergleich (Abschnitt 6), daß die beobachtete Verteilung von Schwermineralen nicht allein durch Transportsonderung unter Gültigkeit des Äquivalenzprinzips erklärt werden kann, sondern daß dabei offenbar auch mechanische Zerkleinerung der Körner während des Transports mitgewirkt haben muß. Nur ein solcher, von der Transportsonderung unabhängiger Effekt kann als Transportrichtungs-Kriterium benutzt werden, wenn die Entwicklung der Korngrößenverteilungen allein keine Entscheidung erlaubt. Wie die Beispiele zeigen, läßt sich Klarheit über die bisher noch sehr umstrittene Frage nach dem Ausmaß der transportbedingten mechanischen Zerkleinerung von Sandkörnern nur gewannen, wenn in Zukunft versucht wird, bei der Bearbeitung natürlicher Beispiele den Einfluß der stets vorhandenen Transportsonderung auf Veränderungen des Mineralbestandes unter Anwendung des Äquivalenzprinzips rechnerisch auszuschalten. Über dieses wesentlichste Ergebnis hinaus erlauben die dargestellten Zusammenhänge auch eine kritische Stellungnahme zu den oben erwähnten allgemeinen Problemen und führen zu methodischen und sachlichen Verbesserungsvorschlägen für weitere Untersuchungen an klastischen Sedimenten.